車門外板沖壓工藝設計及實驗研究

文/韓永志，余冰定，黃永生，趙烈偉，楚偉峰·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

車門外板沖壓工藝設計及實驗研究

文/韓永志，余冰定，黃永生，趙烈偉，楚偉峰·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

本文通過對車門外板的沖壓工藝性進行分析，利用CAE軟件進行有限元仿真模擬，并根據數值模擬情況進行產品數模修正，優化數值模擬工藝參數及工藝造型，消除零件在工藝設計初期可能存在的缺陷，極大地降低了模具開發的風險，進而通過模具現場調試，成功制造出合格的沖壓件。

汽車外覆蓋件一般具有尺寸較大、形狀復雜的特點，且多為空間自由曲面，不能用簡單的數學解析來表達，其成形過程涉及幾何非線性、材料非線性和復雜的接觸與摩擦等問題。由于影響其成形過程的因素很多，因此人們不能精確控制材料的流動，變形規律不易被掌握，出現的質量問題也很多。采用傳統的試錯法造成大量資源浪費，已不能適應如今產品更新換代周期越來越短及成本控制的要求，而板料成形仿真使設計人員可以在生產準備階段，預測成形中可能出現的問題，如起皺、破裂等，確定成形所需工藝過程和技術參數，驗證并優化模具設計。

車門外板是汽車外覆蓋件，屬于A級零件，要求外表面必須光順平滑、棱線清晰、剛性良好，無凸包、麻點、凹陷等缺陷。同時由于它與側圍外板、頂蓋外板、角板及前大燈等零件搭接，根據整車DTS分配，包邊后的四周外輪廓精度要求較高，公差要求為±0.5mm。左右車門外板三維數模圖如圖1所示 。

圖1 車門外板

零件沖壓工藝分析

產品ECR的提出

在得到產品數模初期，在保證零件品質的前提下，為了盡量減少工序，以降低模具開發成本，對產品進行SE同步分析，提出ECR交由產品設計部門進行數模更改，規避后期的調試風險，縮短模具的開發周期。如圖2所示。

圖2A處修邊后翻邊存在質量缺陷，將此口切掉一塊，便于修邊，保證翻邊質量；圖2B處無法正修，必須修邊后側修，將產品邊界延伸到上段，便于1序正修。

沖壓工藝及模面的設計

通過對產品數模的分析，初步規劃工序為4序。具體工藝內容為：拉延（左右合模）→修邊+沖孔→修邊+沖孔+側沖孔→翻邊+側翻邊。

圖3所示為此板件的典型斷面。

⑴確定沖壓方向。沖壓方向的確定關系到拉延模面的工藝補充部分的多少及修邊沖孔的質量，是沖壓工藝設計的關鍵。它不但決定能否生產出合格的沖壓件，而且影響到后續各工序的設計方案。在拉延工序中，沖壓件往往會由于沖壓方向確定不當，而增加調整難度。

此車門外板沖壓方向確定應遵循的原則：

①無負角。保證拉延件凸模能夠順利進入拉延凹模，不應出現凸模接觸不到的死區。

②最小拉延深度。拉延開始時凸模和坯料的接觸面積要大，避免點接觸，接觸部位應盡量處于沖模中心，避免在成形過程中材料竄動，最好應使制件在一次拉延中完成；在保證拉延質量的前提下，使拉延深度盡可能地淺，保證二級外觀面的質量要求，滿足材料利用率最大化的要求。

③防止表面缺陷。對此車門外板表面件，為了保證其表面質量，棱線位置要保證拉延時不產生偏移線、顫動線等表面缺陷。

④后工序合理可行。要考慮后續修邊沖孔時候的角度，此車門外板沿X軸選擇4.5°，保障后續沖孔為正沖。

⑵確定壓料面。壓料面是指位于凹模圓角半徑以外的那一部分坯料，是工藝補充的一個重要組成部分，對拉延成形起重要作用。壓料面可以使拉延深度均勻，坯料流動阻力的分布滿足拉延成形的需要。合理的壓料不僅能保證壓料面上的材料不起皺，還可以保證拉入凹模的材料不起皺、不破裂。壓料面設計不合理，會使壓邊圈壓料時形成起皺、余料、松弛等，甚至有的在成形過程中無法消失而殘留在制件上。

設計此車門外板拉延模的壓料面時，應注意以下幾點：

①壓料面形狀盡量簡單化，其阻力變化相對容易控制，有利于調模時調整到最有利于拉延成形所需要的最佳壓料面阻力狀態。此車門外板考慮其剛性，壓料設計為單曲面直紋可展曲面。

②壓料面任一斷面的曲線長度要小于拉延件內部相應斷面的曲線長度，凹模內的毛坯產生一定程度的脹形變形，可以保證坯料剛性，否則會使拉入凹模內的多余材料無法延展。

綜合上述內容，設計拉延模面并在UG軟件上建模。如圖4所示。

⑶有限元分析模擬。在拉延模面建模完成后進行CAE的模擬分析。首先對坯料尺寸、拉延筋系數進行調整。拉延筋的作用主要是控制材料的塑性流動方向和進料速度，提高制件的剛性，同時也是防止覆蓋件起皺、開裂、拉延不足等成形缺陷發生的最有效的方法。

車門外板在拉延開始之前，在模具壓邊圈與凹模閉合的過程中，坯料被拉延筋壓彎成形，隨后在模具凸模作用下，坯料的周邊產生拉延變形并向凹模走料，坯料沿拉延筋表面滑動產生的摩擦阻力和彎曲變形阻力，都使毛坯斷面內的徑向拉應力加大。改變拉延筋的高度和圓角半徑，都可以達到調整進料阻力的目的。這種調整徑向拉應力的方法十分方便實用，而且調整的范圍也比較大。

左右車門外板完全對稱，為了節省計算時間，模擬分析時候只計算一半，如圖5所示。

根據此分析結果，產品無風險，如圖6所示。通過后期調試時的調整，可以達到產品要求。

圖2 ECR示意圖

圖3 斷面圖

⑷產品工序分配。通過前期對產品的分析，對此車門外板做了4工序的排布。對4工序影響大的主要是門把手處的沖孔與周圈修邊及翻邊的協調處理。通過對工藝內容和模具結構優化實現了對4序優化的要求。詳細工序分配如圖7所示。

圖4 拉延模面

圖5 坯料及拉延筋的設置

圖6 CAE分析結果

圖7 各工序內容

圖8 最終拉延零件

圖9 最終合格實物產品

物理驗證

按照CAE模擬結果，修改并優化拉延件型面，調試得到如圖8、9所示實驗結果。零件成形良好，無暗傷與開裂缺陷，外觀品質優良。

結束語

數值模擬能夠預測覆蓋件成形過程中存在的問題，也可以有效地指導模具現場調試，減小模具調試時間，提高效率；實際試模過程中，各工序調試，上檢具檢測各項指標很好地達到了此車型的量產要求，目前此車門外板已在線批量生產。